电力电子测试与测量

通过测试和测量持久力来评估电子设备的质量和耐用性。评估氮化镓 （GaN） 价值的测试势在必行，因为它自诞生以来就具有巨大的潜力，可以实现更高效的功率转换，作为电力电子应用中的关键颠覆者。基于 GaN 的开关的特性，例如高电子迁移率、宽带隙、高击穿场和低得多的导通电阻，鼓励电源设计工程师开始考虑改进的电源转换可以提供的无限可能性。

WBG 电源模块 提供的特性和功能比其硅同类产品高出几个数量级，包括 10 倍的电压阻断能力、10 倍到 100 倍的开关速度能力以及十分之一的能量损失。它们还具有固有的抗辐射性（rad-hard），并提供高达 600°C 的理论结温操作。这项技术可以为电力系统提供比当前基于硅的设备高 10 倍的功率密度以及更低的冷却要求。

碳化硅有望为航空航天业提供重量更轻的组件，以降低燃料消耗和排放。对于给定的电压和电流额定值，这种材料有助于在更小、更轻的设备中实现更高的开关和更高的功率密度。

GaN 与硅一样，可用于制造半导体器件，例如二极管和晶体管。电源设计人员可以选择 GaN 晶体管而不是硅晶体管，因为它具有小尺寸和高效率。与具有更高热管理要求的硅器件相比，GaN 晶体管的功耗更低，热导率更高。GaN 晶体管越来越多地用于各个领域：汽车领域、电力供应以及电流的转换和使用。这些组件将很快取代它们各自的前身。

在接受《电力电子新闻》采访时，是德科技精密和电源产品业务开发经理 Alan Wadsworth 和是德科技电源解决方案顾问 Mike Hawes 分析了宽带隙解决方案测试与测量 （T&M） 的不同方面。

电力电子新闻：功率半导体制造商认为，基于 GaN 的器件是解决可再生能源扩张的主要障碍的关键。在 T&M 方面保证良好的基于 GaN 的产品有哪些挑战？

Alan Wadsworth：当用于开关模式电源转换器时，GaN 比 Si 具有一些根本优势（例如更高的电压、更低的损耗、更紧凑和更快的开关）。然而，它是一种较新的技术，比“久经考验的”硅基功率半导体具有更大的风险。因此，基于 GaN 的产品设计人员面临着几个挑战。

GaN 器件的表征

GaN 器件表征提出了一些挑战，这些挑战是所有宽带隙 （WBG） 器件所共有的，还有一些是 GaN 特有的。共同的挑战是：

数据表通常不足以准确表示设备所需的操作性能。

需要在正常工作条件下（数百安培和数千伏特）准确表征非常小的导通电阻。

需要在数千伏的漏源偏压下准确表征器件电容。

需要在一系列工作条件下（同样是数百安培和数千伏特）测量栅极电荷特性。

需要动态表征，包括传导、驱动和开关损耗。

GaN 器件还具有一些独特的特性（例如，不与 SiC 器件共享）。GaN 器件的独特之处在于它们可以经历一种称为“电流崩塌”的现象。这种行为导致晶体管的导通电阻在导通后动态变化，导通电阻的初始值取决于漏极电压的大小和关断状态所花费的时间。出于显而易见的原因，除非这种现象得到抑制或理解，否则不可能使用 GaN 器件设计可靠的电路。

GaN 器件的建模

由于 GaN 器件的快速开关能力（例如 t r和 t f 《 10 ns），精确的器件模型很少见。不能进行分布式电路分析的仿真器将无法准确反映设计中的振铃和不稳定性。许多传统的功率器件模型和模拟器无法反映设计的真实运行情况，导致通过多次原型迭代进行设计的试错法。

GaN 器件的可靠性

与几十年来在电源/转换器设计中使用 Si 相比，GaN 需要进行大量测试，以确定关键应用（例如与可再生能源相关的应用）中设备的可靠性。业界正在进行大量投资，以更好地评估 GaN 功率器件满足多种功率应用需求的能力。在过去的几年中，JEDEC 创建了一个新的工作组 （JC-70），为 WBG 功率半导体（尤其是 GaN 和 SiC）制定适当的标准。JC-70 的子组专注于：1） 可靠性，2） 数据表，以及 3） 测试方法和特性。

电力电子报：T&M与Silicon相比有何不同？请举例说明。

Mike Hawes：Si 和 WBG 器件（尤其是 GaN）之间的一个主要区别是开关速度。GaN 器件的开关速度通常比类似的硅晶体管快 10 到 100 倍。在电源转换电路中运行的 GaN 器件的开关频率本身不足以产生问题，但开关波形中的高频分量会产生电磁干扰 （EMI）。

EMI 对硅晶体管来说当然是一个问题，但在 GaN 器件中更难缓解。原因是更快的设备会产生更快的电压变化，这可能会导致场效应晶体管 （FET） 的误导通。如果发生这种情况，则由此产生的浪涌电流会产生巨大的热量，从而可能导致灾难性的电路故障。

如上所述，如果设备建模软件能够准确预测其行为，则它可以帮助防止开关电路中出现此类问题。然而，能够准确测量 GaN 器件的开关行为并非易事。

电力电子新闻：您的客户对 GaN 市场，尤其是能源领域有什么要求？

Mike Hawes：基于第 2 项中讨论的问题，许多客户想要一个现成的、标准化的、受支持的解决方案来准确表征 GaN 器件的开关行为。这通常使用所谓的双脉冲测试方法来完成。2019 年，是德科技推出了适用于硅和 SiC 器件的商用双脉冲测试 （DPT） 解决方案 （PD1500A），该解决方案已安装在全球多个客户地点。是德科技使 PD1500A 能够接受定制的 GaN DUT 板，从而允许对 GaN HEMT 和 GaN GIT 设备进行 DPT。应该很快就会支持 GaN 共源共栅器件。尽管需要定制的 GaN DUT 板，但 PD1500A 现在能够配置为测试分立的 Si MOSFET、IGBT、SiC MOSFET 和 GaN MOSFET，

电力电子新闻：GaN 旨在为未来数字化、能源效率和移动性领域的一些主要社会挑战提供解决方案。哪些技术可以为 T&M 市场的领导地位提供创新？

Alan Wadsworth：如前所述，GaN 器件的特性对于您提到的市场中的设计人员来说至关重要。业界正在努力测量具有如此高电压和电流要求以及高开关速度（即带宽）要求的 GaN 器件的动态特性。表征设备和设置中的寄生参数通常会掩盖被测 GaN 器件的真实动态性能，从而为 DPT 夹具设计开发新的低电感方法，以及电流测量，甚至器件与夹具的连接。

需要改进模型以考虑 GaN 器件的高频特性，并结合模拟器，准确考虑分布式电路分析，能够模拟高频效应。由于替代能源和电动汽车中使用的电源转换器的温度，建模/仿真需要正确描绘设计的热效应。

对于电源转换设计人员来说，这是一个激动人心的时刻。然而，与新技术变化一样，需要额外的建模、表征和可靠性测试才能使 GaN 功率半导体在这些市场上达到很高的期望。